Fyzická geografie (Z0026) prof. RNDr. Rudolf Brázdil, DrSc. RNDr. Zdeněk Máčka, Ph.D. podzimní semestr - 4/0: zkouška 7 kreditů, 0/1: zápočet 2 kredity
1. Úvod do studia fyzické geografie Fyzická geografie - vědní disciplína v rámci geografických věd, zabývající se studiem fyzickogeografické sféry Země. Z časového a prostorového hlediska popisuje, studuje a prognózuje procesy a jevy, které se v ní odehrávají 2
Fyzickogeografická sféra Země se skládá z jednotlivých geosfér: a) zemská kůra s georeliéfem nejsvrchnější vrstva pevného zemského tělesa, jejíž povrch se označuje jako georeliéf geomorfologie b) atmosféra plynný obal Země (po ozonovou vrstvu) meteorologie a klimatologie c) hydrosféra geosféra tvořená vodami oceánů a pevniny hydrologie d) kryosféra část zemské kůry a hydrosféry, jejíž teplota je po více než 2 roky pod bodem mrazu glaciologie e) pedosféra půdní pokryv na povrchu pevnin pedogeografie f) biosféra geosféra s podmínkami pro život a trvale obydlena živými organismy biogeografie fyzickogeografická + socioekonomická sféra = krajinná sféra Země 3
Základní literatura: Strahler, A., Strahler, A. (2006): Introducing Physical Geography. John Wiley & Sons, Inc., New York, 728 s. Nové vydání: 2011 Pomocná literatura pro klimatologii a hydrologii: Netopil, R. a kol. (1984): Fyzická geografie I. SPN, Praha, 272 s. Sobíšek, B. (ed.) (1993): Meteorologický slovník výkladový a terminologický. Academia, Ministerstvo životního prostředí ČR, Praha, 594 s. http://slovnik.cmes.cz 4
2. Globální energetická bilance Země 2.1 Elektromagnetické záření sluneční záření elektromagnetické x korpuskulární (částicové) elektromagnetické záření soubor záření různých vlnových délek vycházejícího od povrchu objektu vlnová délka L vzdálenost od jednoho hřbetu vlny k sousednímu hřbetu; jednotka mikrometr (μm, 10-6 m) nebo nanometr (nm, 10-9 m) 5
2.1.1 Záření a teplota dva základní principy emise elektromagnetického záření: a) nepřímý vztah mezi vlnovou délkou záření daného tělesa a jeho teplotou (Slunce kratší vlnové délky, Země větší vlnové délky) b) teplejší tělesa vyzařují mnohem více než tělesa chladnější (závislost na čtvrté mocnině absolutní teploty Stefan-Boltzmannův zákon) 2.1.2 Sluneční záření Slunce: jaderné reakce proton-protonového cyklu (přeměna vodíku na hélium) povrchová teplota 6000 C výkon Slunce 2,8.10 26 W (J.m -2.s -1 ) rychlost elektromagnetického záření 300 tisíc km.s -1 8 1/3 min. než dorazí na Zemi vzdálenější planety méně energie od Slunce; Země 1,7.10 17 W 6
Spektrum elektromagnetického záření: a) ultrafialové záření 0,2-0,4 μm pohlceno téměř úplně plyny v atmosféře škodlivé pro živé organismy b) viditelné záření 0,4-0,7 μm světelná energie barva závislá na vlnové délce (fialová, modrá, zelená, žlutá, oranžová, červená) jen malá část pohlcována c) krátkovlnné infračervené záření 0,7-3 μm lidské oko není na ně citlivé snadno proniká atmosférou a) + b) + c) = krátkovlnné záření d) tepelné infračervené záření > 3 μm vydáváno chladnějšími objekty pociťováno jako teplo označuje se jako dlouhovlnné záření (tepelné snímkování) 7
Spektrum elektromagnetického záření 8
9
10
2.1.3 Charakteristiky slunečního záření různá intenzita vyzařování podle vlnové délky: ultrafialové viditelné krátkovlnné infračervené 9 % 41% 50 % (velmi málo energie pro L > 2 μm) intenzita slunečního záření je největší ve viditelné části spektra solární konstanta I S celková intenzita elektromagnetického záření Slunce, dopadajícího na horní hranici atmosféry na jednotkovou plochu kolmou k paprskům při střední vzdálenosti Země-Slunce: I S = 1367 W.m -2 0,3 % 2.1.4 Dlouhovlnné záření Země zemský povrch a atmosféra vyzařují méně energie o větších vlnových délkách (v porovnání se Sluncem) intenzita vyzařování má tři maxima pro L = 5, 10 a 20 μm vlnové délky mezi tím pohlcovány hlavně vodní párou a CO 2 11
2.1.5 Globální radiační bilance Země stále pohlcuje krátkovlnné sluneční záření a vydává dlouhovlnné záření radiační bilance krátkovlnné záření je zčásti odráženo zpět do meziplanetárního prostoru (též oblaky, částicemi), zčásti rozptylováno a pohlcováno v atmosféře a na aktivním povrchu (vzestup teploty) rozptýlené a přímé záření dlouhovlnné záření uniká do meziplanetárního prostoru (pokles teploty) dlouhodobě je příjem krátkovlnného záření vyrovnáván výdejem dlouhovlnného záření (zářivá rovnováha) 12
2.2 Insolace Země insolace tok dopadající sluneční energie na exponovaný povrch pro sférickou Zemi bez atmosféry (W.m -2 ) závisí na výšce Slunce nad obzorem (maximální pro Slunce v zenitu) výška Slunce závisí na zeměpisné šířce, části dne a části roku sluneční záření je proměnlivé v závislosti na čase a na místě na Zemi 13
2.2.1 Dráha Slunce na obloze 14
Na rovníku jsou zdánlivé denní dráhy Slunce kolmé k rovině obzoru a postupně se posunují mezi letním (blíže k P SS ) a zimním (blíže P SJ ) slunovratem. Ve dnech rovnodenností se Slunce zdánlivě pohybuje po světovém rovníku. Na severním pólu jsou zdánlivé denní dráhy Slunce rovnoběžné s rovinou obzoru (splývající se světovým rovníkem). V době od jarní rovnodennosti přes letní slunovrat po zimní rovnodennost se Slunce pohybuje nad obzorem (polární den), ve zbytku roku pod obzorem (polární noc). 15
2.2.2 Denní insolace během roku denní insolace (úhrn přímého záření) závisí na úhlu dopadu slunečních paprsků a době expozice (tedy na zeměpisné šířce a roční době) v pásmu mezi obratníky existují dvě maxima (na rovníku v době rovnodenností), která se od rovníku k obratníkům přibližují až splývají v jedno maximum mezi obratníky a polárními kruhy maximum při letním slunovratu, minimum při zimním slunovratu mezi polárními kruhy a póly minimum nulové postupně se rozšiřující na půl roku 16
2.2.3 Roční insolace podle zeměpisných šířek roční insolace plynule klesá od rovníku k pólu na pólu asi 40 % hodnoty insolace na rovníku díky sklonu zemské osy k rovině ekliptiky* (66,5º) je významná část insolace přerozdělena od rovníku k pólům a střídají se roční období * rovina oběžné dráhy Země kolem Slunce 17
2.3 Světové šířkové zóny rovníkový pás 10 s.š. 10 j.š. intenzivní insolace během roku, dny a noci téměř stejně dlouhé tropický pás 10 25 z.š. roční cyklus, velká roční insolace subtropický pás 25 35 z.š. pás mírných šířek 35 55 z.š. velké rozdíly ve výšce Slunce a délce dnů a nocí mezi zimou a létem subarktický (subantarktický) pás 55 60 z.š. arktický (antarktický) pás 60 75 z.š. velké rozdíly v délce dne a v insolaci polární pás nad 75 z.š. dominuje vždy téměř půl roku polární den a půl roku polární noc 18
2.4 Složení atmosféry atmosféra (atmos pára, sphaira koule, obal) plynný obal Země, tvořený zvláštní směsí plynů vzduchem hmotnost 5,157.10 18 kg rozložení hmotnosti: do 5-6 km do 16 km do 30 km 50 % 90 % 99 % 19
Hlavní plynné složky atmosféry v suchém čistém vzduchu dusík N 2 78,084 % (objemový podíl) 75,51 % (hmotnostní podíl) [inertní plyn, vulkanická činnost] kyslík O 2 20,946 % 23,01 % [dýchání, reaktivní plyn, pohlcování záření, ozon, fotosyntéza] argon Ar 0,934 % 1,286 % [inertní plyn, rozpad 40 K] stopové plyny: oxid uhličitý CO 2 pohlcování dlouhovlnného záření (oteplování atmosféry), spotřebováván při fotosyntéze další stopové plyny: ozon, methan, neon, krypton, xenon, vodík, oxid dusný, hélium vlhký čistý vzduch: vodní pára max. do 4 % objemu (průměr 2,6 %) na úkor dalších plynných komponent, pokles s výškou, pohlcování dlouhovlnného záření atmosférické aerosoly pevné a tekuté příměsi ve vzduchu 20
2.4.1 Ozon ve stratosféře ozon zapáchající plyn vznikající při elektrických výbojích v atmosféře (C. F. Schönbein 1840) 2.4.1.1 Přirozená rovnováha ozonu v atmosféře stopový plyn, tvořený 3 atomárními kyslíky (O 3 ) 90 % ve stratosféře, asi 3/4 v 15-30 km ozonosféra měření spektrofotometrem Dobsonovy jednotky (DU) celkové množství O 3 ve vertikálním sloupci o základně 1 cm 2 (100 DU odpovídá při normálním tlaku a teplotě 298 K vrstva O 3 o tloušťce 1 mm) 21
Geografické rozložení: růst koncentrací od minim v oblasti rovníku (cca 250 DU) k maximům na 60º z.š. (cca 400 DU), odtud pokles k pólům, koncentrace v Arktidě vyšší než v Antarktidě Roční chod: maximum na jaře, minimum na podzim 22
23 www.temis.nl
Vznik a zánik O 3 Chapmanova teorie Vznik: a) UV-záření o L < 0,242 μm disociace kyslíku: O 2 + hν 2O b) reakce atomárního a molekulárního kyslíku: O + O 2 + M O 3 + M (hν světelný foton, M částice vyrovnávající energii reakce) Zánik: a) disociace O 3 zářením s L < 1,2 μm: O 3 + hν O + O 2 popř. reakce O 3 s atomárním kyslíkem: O 3 + O O 2 + O 2 b) katalytické reakce (X katalyzátor): O 3 + X OX + O 2 OX + O X + O 2 katalyzátory: radikály dusíku NO X (NO, NO 2 ) 70 % v 15-35 km radikály vodíku HO X (HO, HO 2 ) 70 % nad 50 km 24
2.4.1.2 Ozonová díra a její příčiny ozonová díra drastický úbytek celkového ozonu, pozorovaný v Antarktidě v září-říjnu v porovnání s koncem 70. let 20. století halogenované uhlovodíky: lehké uhlovodíky (zejména methan CH 4 a ethan C 2 H 6 ), v nichž je vodík nahrazen: atomy fluoru F a chloru Cl chlorofluorouhlovodíky CFC též freony hydrochlorofluorouhlovodíky HCFC atomy bromu Br Vlastnosti: bromované uhlovodíky též halony plyny nebo lehce těkavé kapaliny nehořlavost, nejedovatost, chemická netečnost, domnělá ekologická nezávadnost prudký nárůst produkce ve 2. polovině 20. století Použití: hnací plyny, chladiva, nadouvadla, čistící a odmašťovací prostředky, protipožární technika atd. 25
26
27
Mechanismus působení halogenovaných uhlovodíků na O 3 a) průnik z troposféry do stratosféry b) vůči O 3 inertní sloučeniny Cl (chlorovodík HCl, chlornitrát ClONO 2 ) c) v polární noci na částicích polárních stratosférických oblak (PSO) aktivní formy (Cl 2, HOCl) PSO vázána na polární vortex, teploty kolem 80 C d) časně zjara působením slunečního záření uvolňován aktivní Cl katalytické reakce zánik O 3 pokles O 3 v Antarktidě větší než v Arktidě (nestabilní vortex, vznik PSO méně častý) 28
30
Assimilated Ozone Field of 29 September 2014 OMI GOME-2A GOME-2B http://www.temis.nl/
Vývoj koncentrací ozonu v ČR
2.5 Turbulentní a latentní tok tepla stýkají-li se dva objekty různé teploty, předává se teplo od teplejšího k chladnějšímu vedením turbulentní tok tepla (sensible heat transfer) neuspořádaný vertikální přenos tepla latentní teplo teplo spotřebované či uvolňované při fázových změnách vodní páry latentní tok tepla (latent heat transfer) přenos tepla od povrchu do atmosféry při výparu, uvolňování tepla na povrchu při kondenzaci nebo sublimaci vodní páry 37
2.6 Globální energetická bilance tok energie mezi Sluncem a Zemí zahrnuje nejen záření, ale i pohlcování a transport energie 2.6.1 Ztráty záření rozptýlené záření molekuly a částice ve vzduchu rozptylují sluneční záření všemi směry část záření, která je rozptýlena zpět do prostoru, se označuje jako difuzní odraz (asi 5 % přicházejícího slunečního záření) pohlcování záření při průchodu atmosférou (asi 15 % přicházejícího záření) pohlcování záření se může měnit výrazně podle prostředí oblaka mohou odrážet 30-60 % přicházejícího záření a pohlcovat 5-20 % v případě husté oblačné vrstvy může být při povrchu jen 10 % z dopadajícího záření 38
39
2.6.2 Albedo albedo percentuální podíl odraženého záření vzhledem k celkovému dopadajícímu záření albedo určuje, jak rychle se povrch vystavený insolaci zahřívá např. albedo sněhu 45-85 % odráží většinu záření, zahřívá se pomalu albedo Země měřené pomocí družic 29-34 % 40
2.6.3 Zpětné záření atmosféry aktivní povrch vydává dlouhovlnné záření pouze do atmosféry, kde je pohlcováno CO 2 a vodní párou, ale i oblaky zpětné záření atmosféry atmosféra vyzařuje do meziplanetárního prostoru a také k zemskému povrchu skleníkový efekt atmosféry atmosféra je dobře propustná pro krátkovlnné záření, ale pohlcuje dlouhovlnné vyzařování zemského povrchu 41
2.6.4 Globální energetická bilance atmosféry a aktivního povrchu Bilance krátkovlnného záření: albedo systému zemský povrch - atmosféra 31 % pohlcování v atmosféře 20 % pohlceno zemským povrchem 49 % Bilance dlouhovlnného záření: vyzařování zemského povrchu 114 %, z čehož 102 % pohltí atmosféra a zbytek 12 % uniká do meziplanetárního prostoru (atmosférické okno) zpětné záření atmosféry 95 % 42
Zemský povrch: zisk: 49 % + 95 % = 144 % krátkovlnné dlouhovlnné tedy: 144 % 114 % = 30 % zisk ztráta zisk tento zisk se předává do atmosféry latentním tokem tepla (23 %) a turbulentním tokem tepla (7 %) celková ztráta zemského povrchu 114 % + 23 % + 7 % = 144 % dlouhovlnné latentní tok tepla turbulentní tok tepla Atmosféra: ztráta: 57 % + 95 % = 152 % do meziplanetárního prostoru k zemi jako zpětné záření atmosféry zisk: 102 % + 20 % + 23 + 7 = 152 % dlouhovlnné krátkovlnné pohlcené latentní tok turbulentní tok bez skleníkového efektu by byla Země chladným neobývatelným místem 43
2.6.5 Šířkový transport energie příjem a výdej energie pro Zemi v delším časovém intervalu je vyrovnaný, což ale nemusí platit pro konkrétní místo nebo kratší časové úseky radiační bilance diference mezi veškerým přijímaným a vyzařovaným zářením: a) pozitivní příjem záření větší než výdej (např. den) b) negativní výdej záření větší než příjem (např. noc) mezi 40 s.š. a 40 j.š. je v ročním průměru přebytek zářivé energie (kladná radiační bilance) ve vyšších šířkách než je 40 z.š. je negativní radiační bilance deficit je vyrovnávám transportem energie z rovníkové a tropické zóny směrem k pólům dvěma způsoby: a) přenos tepelné energie oceánskou cirkulací b) přenos tepelné energie atmosférickou cirkulací (latentní teplo) 44
45
2.6.6 Antropogenní vlivy na energetickou bilanci energetická bilance je citlivá na řadu faktorů, ovlivňujících pohlcování a výdej energie růst CO 2 a dalších skleníkových plynů (CH 4, N 2 O) zvyšuje pohlcování dlouhovlnného záření v atmosféře zesilování skleníkového efektu růst aerosolů ve vyšších vrstvách atmosféry zvyšuje rozptyl záření a tedy snižuje přívod krátkovlnného záření k povrchu větší obsah aerosolů v dolních vrstvách atmosféry zvyšuje pohlcování dlouhovlnného záření lidskou činností se mění charakter aktivního povrchu (vliv na albedo, pohlcování záření a na vyzařování) 46
Literatura Netopil, R. a kol. (1984): Fyzická geografie I. SPN, Praha. Kap. 1: s. 9-25. Kap. 2.2-2.3.2: s. 35-56. Strahler, A., Strahler, A. (2006): Introducing Physical Geography. John Wiley & Sons, Inc., New York, 728 s. Kap. Prologue: s. 2-21. Kap. 2: The Earth s Global Energy Balance, s. 50-85. 47